Condensadores Electrolíticos: Polarización, Aplicaciones y Símbolos
Más allá del aparentemente sencillo símbolo esquemático del condensador polarizado (ver Figura 1), se encuentra un componente sofisticado y vital en muchos circuitos electrónicos. Este condensador, a menudo llamado condensador electrolítico o simplemente “electrolítico” debido a su construcción, desempeña un papel esencial en garantizar que la salida de una fuente de alimentación pueda proporcionar la corriente requerida, y a la tensión de suministro de corriente continua nominal.
Figura 1: El símbolo más común para un condensador polarizado en a) EE. UU., y b) Europa; existen muchas variaciones.
Polaridad del condensador electrolítico explicada
¿Por qué usar un condensador así y por qué está polarizado? El rol principal de este condensador es actuar como un contenedor de almacenamiento de reserva de energía eléctrica para la carga, aun cuando la salida de la fuente de alimentación en sí misma—generalmente una fuente AC/DC—tiene ondulaciones a 60/120 Hz (50/100 Hz en algunas regiones del mundo) debido a la naturaleza del circuito de regulación de potencia.
Un condensador de aluminio de 33uF de Lelon Electronics.
El condensador es análogo a un depósito: el núcleo de la fuente de alimentación está bombeando energía (agua) hacia el depósito, pero no a un ritmo constante. La carga (los usuarios) retira agua a tasas variables, a veces con cambios lentos y otras veces con incrementos repentinos y transitorios en la demanda. Necesitan realizar esto a pesar de las fluctuaciones en la tubería principal que lleva desde la planta de purificación de agua. No desean observar fluctuaciones en la presión del agua (voltaje) pese a los cambios en la tasa de flujo (corriente) en la fuente o la carga.
El condensador actúa como un amortiguador o colchón de energía eléctrica y cumple dos funciones: suaviza las oscilaciones en la salida del regulador básico cuando la carga es constante, y proporciona energía según sea necesario cuando la propia carga varía. Por estas razones, los condensadores electrolíticos de gran valor utilizados en la salida de fuentes de alimentación suelen denominarse componentes de “almacenamiento masivo” y actúan como filtros básicos contra las fluctuaciones no deseadas del voltaje de suministro de salida, pese a los cambios en el voltaje de entrada del regulador o en la demanda de carga.
¿Cómo se fabrican los condensadores electrolíticos?
En principio, un condensador se forma por dos superficies conductoras separadas por un dieléctrico. Este dieléctrico puede ser aire, papel, cerámica o una película química electrolítica especializada. La mayoría de los condensadores electrolíticos están construidos a partir de dos capas muy finas de lámina de metal (aluminio, tantalio o niobio) con una capa de óxido dieléctrico que se recubre en una capa, y luego todo el conjunto se enrolla (Figura 2).
Figura 2: La construcción interna de un condensador electrolítico basado en aluminio muestra las capas separadas por un dieléctrico, y luego enrolladas en un alojamiento cilíndrico. (Fuente: Nichicon Corp.)
La unidad final está sellada con un recubrimiento especializado, que puede ser de plástico, epoxi, metal u otro material para mantener la humedad fuera mientras confina el material electrolítico en su interior en caso de "fuga" química o falla de la carcasa (Figura 3).
Figura 3: Un condensador electrolítico terminado listo para usar; este tiene una capacidad de 10,000 μF (0.1 F), 15 VDC y mide 40 mm de alto con un diámetro de 18 mm. (Fuente: Kemet Corp.)
Por qué usamos un condensador electrolítico en la fuente de alimentación
Con un dieléctrico no químico, el capacitor resultante no está polarizado y puede usarse con formas de onda de CA; además, puede insertarse en el circuito en cualquier dirección. Sin embargo, debido a la naturaleza química de la película y la construcción utilizada para los capacitores electrolíticos, existe una polaridad de instalación y uso. Invertir el voltaje en dicho dispositivo lo degradará y luego lo dañará.
Dado esta restricción, ¿por qué usar capacitores electrolíticos polarizados en absoluto? La respuesta es sencilla: para lograr una alta densidad capacitiva y un valor relacionado. La mayoría de las fuentes de alimentación AC/DC necesitan capacitancia en el orden de varios cientos a diez mil microfaradios (μF), y esto solo puede lograrse en un componente de tamaño razonable usando la construcción de capacitores electrolíticos. Usar cerámica o aire como el dieléctrico requeriría un volumen de capacitor que fácilmente variaría entre 100× a 1000× mayor.
El costo también es una consideración: un capacitor más grande requeriría más material, por lo que habrá un costo directo más alto, así como el mayor "costo" de utilizar más espacio en la placa de circuito impreso o una fuente de alimentación general más grande. Los supercapacitores podrían parecer una alternativa mejor y más pequeña, ya que pueden proporcionar fácilmente clasificaciones de varios faradios, pero no pueden manejar la corriente de rizado ni la naturaleza de carga/descarga de un regulador de fuente de alimentación y su carga.
Elección de un Condensador Electrolítico: Parámetros de Diseño
El parámetro principal para estos dispositivos de almacenamiento a granel es, por supuesto, su capacidad. Los valores de los condensadores electrolíticos comienzan alrededor de 1 μF y alcanzan miles de μF. Si se necesita más capacidad de la que un solo componente puede proporcionar, por supuesto, los condensadores pueden usarse en paralelo.
El siguiente parámetro que el diseñador debe seleccionar es el voltaje de trabajo, usualmente designado como WVDC (voltaje de trabajo en corriente continua). Este es el valor máximo de voltaje en corriente continua en el que el condensador operará de manera confiable y es una función del diseño y la carcasa. Un WVDC más alto requiere un dispositivo de mayor tamaño físico para soportar el arco interno y la perforación, además de ser más costoso, por lo que el diseñador debe tener cuidado de no especificar en exceso este factor. La mayoría de los diseñadores utilizan un margen de seguridad de 2× en el WVDC para acomodar cualquier ondulación o transitorios en el condensador provenientes de la fuente de alimentación; así, se utilizaría un condensador de 25 V WVDC con una fuente de alimentación nominal de 12 V DC.
Aunque idealmente un condensador sería solo eso; en realidad, cada condensador tiene cierta resistencia serie equivalente (ESR) e inductancia propia. La ESR de un condensador de alta calidad está en el orden de 0.1 a 1 Ω; cuanto mayor sea la ESR, menos funcionará el condensador como un dispositivo ideal, y de hecho podría causar que el circuito regulador falle. En condensadores electrolíticos de menor calidad, la ESR aumentará con el tiempo y la temperatura, y podría incluso alcanzar decenas de ohmios, con consecuencias perjudiciales. Los condensadores también tienen una pequeña cantidad de corriente de fuga debido al dieléctrico no perfecto.
Además, cada componente real tiene inductancia parasitaria, por supuesto; en el caso de los condensadores, esta inductancia está en el rango de unos pocos milihenrios (mH). Aunque este valor bajo generalmente no representa un problema en las frecuencias de línea de CA, puede convertirse en un problema a medida que aumenta la frecuencia de operación de la fuente de alimentación y puede causar inestabilidad en el circuito e incluso fallos.
Tolerancia del Condensador Electrolítico
Los condensadores electrolíticos también tienen calificaciones de tolerancia, al igual que todos los componentes; una tolerancia de ±20 por ciento es común, aunque algunos se especifican con tolerancias más ajustadas. Aunque esto pueda parecer una gran tolerancia, es aceptable en la aplicación.
Para apoyar el análisis de rendimiento y estabilidad del diseñador, la mayoría de los proveedores de capacitores ofrecen modelos que incluyen el ESR, la inductancia, la resistencia de fuga y cualquier otro atributo no ideal (Figura 4). Pueden mostrar estos modelos tanto en frecuencia de línea como en frecuencias más altas, y también a diferentes temperaturas.
Figura 4: Un modelo simplificado de baja frecuencia de un condensador electrolítico muestra el condensador básico junto con la resistencia de fuga, la resistencia serie equivalente y la inductancia; para uso en RF, el modelo agregaría varios parásitos internos, así como la inductancia y capacitancia parasíticas de los terminales.
Tolerancia del condensador electrolítico
Los condensadores electrolíticos generalmente se espera que tengan un rendimiento conforme a las especificaciones durante muchos miles de horas, aunque a menudo se utilizan más allá de su vida útil "según las especificaciones" con resultados aceptables. (Piense en una fuente de alimentación en una PC de escritorio de larga duración que está encendida gran parte del tiempo.)
Además de la operación evidente fuera de las calificaciones establecidas, cada componente electrónico está sujeto a factores que afectan su fiabilidad y vida útil, y los condensadores electrolíticos no son diferentes.
El calor es el factor más común que acorta su vida: un condensador clasificado para 10,000 horas a 25⁰C necesitará desclasificación a medida que la temperatura aumente, y puede estar clasificado solo para 1,000 horas a 85⁰C e incluso menos a 105⁰C. Dado que la mayoría de estos condensadores se utilizan con fuentes de alimentación, que generalmente funcionan calientes y tienen un aumento de temperatura localizado superior al del recinto en general, estos dispositivos de almacenamiento en masa tendrán una vida útil más corta. Los proveedores ofrecen condensadores clasificados para una larga vida útil a temperaturas más altas para superar este problema. (Cabe señalar que la temperatura elevada de almacenamiento fuera de funcionamiento también es un problema que afecta su vida útil, pero ese es un escenario diferente y tiene una especificación distinta.)
El segundo factor que acorta la vida útil de los condensadores electrolíticos es la corriente de rizado que deben soportar. Esta corriente es la fluctuación inevitable en la salida del regulador de voltaje que el condensador está encargado de suavizar. Por razones electroquímicas complejas, la corriente de rizado degrada la vida útil del condensador y su electrolito; cuanto mayor sea la corriente de rizado, mayor y más rápida será la degradación. La sensibilidad a la corriente de rizado es una función de la construcción y los materiales utilizados; los proveedores especifican la vida útil operativa con diferentes valores de corriente de rizado.
Hay un factor no técnico que los diseñadores también deben tener en cuenta, después de haber seleccionado el condensador adecuado y el modelo correspondiente del proveedor. Es relativamente fácil que piezas subestándar, sustitutas o incluso falsificadas se introduzcan en el flujo de producción y ensamblaje. Esto se debe a que es relativamente sencillo fabricar un condensador adecuado que funcione lo suficientemente bien, al menos por un tiempo. Sin embargo, el producto en sí tendrá una vida útil reducida en el campo, pero para entonces ya será demasiado tarde y se convertirá en un gran dolor de cabeza.
Tenga en cuenta que también es tentador para el grupo de compras de la instalación de producción sustituir un capacitor “similar” al especificado en la BOM por el diseñador, pero con las mismas especificaciones de alto nivel: capacitancia, WVDC y tamaño. Sin embargo, puede tener diferentes especificaciones secundarias pero aún importantes, como ESR o tolerancia a la corriente de rizado, y el cambio en la BOM puede afectar el rendimiento o la confiabilidad del sistema. Es fundamental que los ingenieros trabajen con la cadena de suministro de producción para garantizar la integridad y trazabilidad del capacitor hasta el proveedor fuente especificado.
Los condensadores electrolíticos ubicados entre el regulador de la fuente de alimentación y la carga pueden parecer comunes e incluso rutinarios. No obstante, son esenciales para proporcionar un rail de corriente continua (CC) estable para el circuito. Como resultado, los diseñadores necesitan especificarlos y seleccionarlos basándose en sus parámetros primarios y secundarios, así como en la situación de operación, y tener en cuenta también cuestiones de la cadena de suministro menos evidentes.
Etiquetas de artículo
